Roger Angel is een astronoom wiens innovatieve ontwerpen voor telescoopspiegels de manier waarop we de sterren en sterrenstelsels zien radicaal hebben veranderd. Hij ontwikkelde lichtgewicht, honingraatspiegels voor 's werelds grootste en krachtigste telescopen, waaronder de grote verrekijker op de berg Graham in Arizona en de gigantische Magellan-telescoop die momenteel in Chili wordt gebouwd. Hij is een Regents Professor en hoofd van het Steward Observatory Mirror Lab aan de Universiteit van Arizona (UA), en een MacArthur "genius grant" Fellow. In 2010 won hij de prestigieuze Kavli-prijs voor astrofysica. Maar de laatste tijd denkt hij meer aan het leven op onze eigen planeet.
"Ik had me zorgen gemaakt over de opwarming van de aarde", zegt Angel, en hij was begonnen oplossingen te overwegen die net zo gewaagd (en uiteindelijk kostenbeperkend) waren als gigantische zonneschermen in de ruimte plaatsen om de planeet te koelen. Maar toen zijn vrouw hem vroeg: "Kun je niet iets doen aan de opwarming van de aarde?", Werd hij serieus en begon hij zich voor te stellen hoe zijn telescopen konden worden gebruikt om schone energie op te wekken. Nu heeft Angel een systeem gemaakt dat spiegels met kleine zonnecellen gebruikt om licht te benutten en elektriciteit op te wekken, een systeem dat goedkoper kan zijn dan al het andere op de markt.
Proberen de kracht van de zon te benutten is niets nieuws; veel bedrijven en uitvinders analyseren al tientallen jaren het probleem van hoe zonne-energie het meest effectief kan worden verzameld, omgezet en gebruikt. De technologie van fotovoltaïsche (PV) cellen die de zonnestralen opvangen, is in de loop van de tijd verbeterd, maar er zitten nog een paar plakkerige stukjes in de puzzel van het produceren van zonne-elektriciteit. Sommige van die problemen zijn de hoeveelheid warmte die wordt gegenereerd door bestaande technieken, de benodigde ruimte voor de zonnecellen en de kosten.
Angel pakt een paar van deze problemen aan met zijn nieuwe systeem. "Het is een complete zelfstandige eenheid die het licht omzet in energie en de warmte afwijst", zegt hij. Verspreid over zijn Tucson-laboratorium zijn gereedschappen, stukjes metaal, stukjes PV-cellen en andere stukken van het apparaat. Samengevat bestaat het uit verschillende vierkante spiegels bevestigd aan een groot, lichtgewicht stalen frame dat eruitziet als een jungle gym. Elke spiegel reflecteert het licht in zijn eigen kubusvormige stroomconversie-eenheid (PCU) die boven het midden is geïnstalleerd. De PCU is een kleine doos met een gesmolten silicabal aan het uiteinde dat naar de spiegel is gericht. Terwijl het licht van de zon de spiegel raakt, focust de parabolische vorm van de spiegel de straal rechtstreeks in de bal, die op zijn beurt het licht op een gebogen matrix van 36 kleine PV-cellen focust. De cellen zetten het licht om in elektriciteit.
Elke spiegel reflecteert het licht in zijn eigen kubusvormige stroomconversie-eenheid (PCU) die boven het midden is geïnstalleerd. (Met dank aan Rehnu) 
Astronoom Roger Angel probeert de kracht van de zon te benutten met nieuwe technologie die is ontwikkeld voor telescopen. De afgebeelde solar tracker maakt momenteel 2 kW elektrisch vermogen. (Hoffelijkheid van de Universiteit van Arizona) 
Een close-up van het geconverteerde systeem, met de silicabal met een diameter van 5 "en een reflecterende doos waarin de cellen met drievoudige junctie zijn ondergebracht (met dank aan de Universiteit van Arizona) "De cellen zetten ongeveer 40 procent van het licht om in elektriciteit", zegt Angel, en merkt op dat dit zeer efficiënt is voor een zonne-energiesysteem. Zijn innovatie bevat ook een koelsysteem met technologie die vergelijkbaar is met die voor computerchips en automotoren. "Hierdoor blijven de chips opmerkelijk koel: 20 graden C boven de omgevingstemperatuur", zegt hij. Het koelsysteem heeft het extra voordeel dat het geen water gebruikt, een hulpbron die vooral waardevol is in de woestijnen waar veel zonnestelsels werken; in plaats daarvan wordt recirculatiekoelmiddel gebruikt.
“Niemand heeft ooit een systeem gebouwd dat zo'n efficiënte, lichtgewicht ruimteframe-structuur gebruikt om de hoeveelheid staal te minimaliseren en de spiegels vast te houden. Niemand heeft diepgewortelde glazen spiegels gemaakt die zo praktisch en goedkoop zijn, en niemand heeft zo'n PCU gemaakt ', zegt Angel.
Alex Cronin, een natuurkundige aan de Universiteit van Arizona, die onafhankelijk van Angel onderzoek doet naar PV-zonnecellen, is het daarmee eens. Angel "heeft [dit zonnestelsel] geoptimaliseerd als een telescoop, " zegt Cronin. “Dit is een voorbeeld van het uitrekken van de envelop in een nieuwe richting. Hij ontwierp het met de minste hoeveelheid staal en ijzer. In de toekomst zullen we hier meer van zien. Hij leidt de industrie. '
Angel zegt dat zijn ontwerp een 'erfgoed uit de astronomie' heeft. Maar telescopen in de astronomie worden gebruikt voor het concentreren van heel zwak, ver licht, terwijl de spiegels hier een andere rol spelen. “We zijn overgegaan van het ene uiterste van het maken van de meest perfecte spiegels die je maar kunt bedenken, naar de goedkoopste spiegels die 'goed genoeg' zijn. ”
Ze zijn misschien goedkoper, maar je zou niet in het middelpunt van een van zijn spiegels willen staan. Angel heeft onlangs een spiegel van drie meter breed getest die het zonlicht concentreerde op een stuk staal van zes millimeter dik. In 15 seconden brandde de balk een gat in het staal ter grootte van een kwart.
Naast de spiegels zijn de andere kritieke elementen van zijn systeem de PV-cellen in de PCU. In plaats van de typische silicium zonnecellen te gebruiken, volgt hij zijn leidraad van bovenaf: “Wat me opviel, is dat onlangs het soort PV-cellen dat in de ruimte wordt gebruikt [om bijvoorbeeld het ruimtestation van stroom te voorzien] is aangepast voor gebruik op de grond, 'zegt hij. “Van het licht dat erin komt, zet je twee keer zoveel energie om in elektriciteit.” Dit bespaart geld en ruimte in het systeem. "Veel mensen hebben de prachtige eigenschappen opgemerkt" van de nieuwere cellen, PV-cellen met drievoudige junctie genaamd, "maar de uitdaging is om het geconcentreerde licht op hen te krijgen zonder het budget op te blazen."
De beroemde wetenschapper snijdt het broeikaseffect door en legt de feiten vastMet behulp van de silicabal kan zonlicht dat op de spiegel valt worden gefocust op een gebied van cellen op een duizendste van de grootte van de spiegel, en de kosten van de cellen worden een tiende zoveel per gegenereerde watt vergeleken met zonne-energie panelen die geen gebruik maken van Angel's technologie.
Het doel van Angel is om zonne-elektriciteit op utiliteitsschaal te maken tegen een prijs die concurreert met fossiele brandstoffen, iets dat vandaag niet bestaat. “Ik denk dat wat we doen een goede kans maakt. De architectuur die we de afgelopen jaren hebben ontwikkeld, is een nieuwe aanpak en is specifiek gericht op het realiseren van lage kosten. ”
Een deel van de kosteneffectiviteit komt voort uit het vermogen van Angel om gebruik te maken van reeds bestaande productieprocessen. Zijn gepatenteerde en gepatenteerde systeem (voor de assemblage, optica en gebruik van de PV-cellen) is eenvoudig genoeg om in grote hoeveelheden te worden vervaardigd, en hij en een team van wetenschappers en afgestudeerde studenten aan de Universiteit van Arizona onderzoeken manieren om de massaproductie methoden nog meer gestroomlijnd te maken.
Zelfs de setting voor zijn onderzoek en ontwikkeling helpt kosten te besparen. Het prototype voor Angel's jungle-gym-achtige assemblage werd gebouwd in een verlaten zwembad achter een sportschool op de campus van de UA, een plek waar ooit een satellietschotel was voor een Tucson tv-station. "Deze specifieke ruimte heeft een perfect zicht op de zuidelijke lucht van zonsopgang tot zonsondergang en ligt op twee minuten lopen van mijn kantoor", zegt hij, en de regio krijgt ongeveer 350 dagen zon per jaar. Een ander voordeel van in Arizona zijn is dat "we twee tot drie uur achterlopen op de oostkust, wat betekent dat de zon nog steeds schijnt in Arizona op het moment van piekvraag in het oosten, " zegt hij.
Angel werd gedeeltelijk gedreven om zonne-energie te ontwikkelen vanwege iets dat hij op aarde waarnam. Zijn huis ligt aan een rivier en hij heeft de waterweg in de loop van de tijd zien dalen. "Het waterpeil is drie meter lager sinds ik in huis ben", zegt hij. “De degradatie van de rivier zie ik real-time voor mijn ogen vanwege overbevolking. Ik heb me verzoend dat mijn prachtige rivier zal opdrogen, maar ik wil me niet verzoenen met een planeet die zo'n ellendig lot heeft gedoemd. '
Alaina G. Levine is een wetenschapsschrijver gevestigd in Tucson, Arizona.
